Понятие биотехнологий

 

Введение

Биотехнология - это наука  о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов  с использованием природных биологических  объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных  мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны  с хлебопечением, виноделием и другими  способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем  свидетельствует описание приготовления  пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках  Вавилона.

Наукой биотехнология  стала благодаря исследованиям  и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии  и иммунологии Луи Пастера (1822-1895).

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии  и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов  культивирования клеток растений и  животных. И если еще совсем недавно  для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы  воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать  новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная  цель применения этих методов - более  полное использование потенциала живых  организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – это "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, - "новая" биотехнология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Понятие биотехнологии

 В XXI в. биология  выступает лидером естествознания. Это обусловлено прежде всего  возрастанием ее практических  возможностей, ее программирующей  ролью в аграрной, медицинской,  экологической и других сферах  деятельности, способностью решать  важнейшие проблемы жизнедеятельности  человека, в конечном счете даже  определять судьбы человечества (в связи с перспективами биотехнологий,  генной инженерии) и т.п. Одной  из важнейших форм связи современной  биологии с практикой являются  биотехнологии.

Биотехнологии — технологические  процессы, реализуемые с использованием биологических систем — живых  организмов и компонентов живой  клетки. Другими словами, биотехнологии  связаны с тем, что возникло биогенным  путем. Биотехнологии основаны на последних  достижениях многих отраслей современной  науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии  антибиотиков, иммунологии и др.¹

Сам термин «биотехнология»  новый: он получил распространение  в 1970-е гг., но человек имел дело с  биотехнологиями и в далеком  прошлом. Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении  вина и пива, уксуса, сыра, различных  способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии  основаны главным образом на культивировании  микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии.

Основными направлениями  развития современных биотехнологий  являются медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические  биотехнологии. Новейшим и важнейшим  ответвлением биотехнологии является генная инженерия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Методы биотехнологии, ее перспективы 

Генная и клеточная  инженерия – являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в  основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для  воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам  с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и  других операций.

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В  результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и  ДНК, для чего производится выделение  отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций  с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив  новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с  измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия  позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически  модифицированных организмов или так  называемых «трансгенных» растений и животных.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве  и в медицине.

Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться  управлять природой, и искали способы  получения, например, растений с улучшенными  качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами  или с повышенной холодостойкостью. С давних времен основным методом, который  использовался в этих целях, была селекция. Она широко применяется до настоящего времени и направлена на создание новых и улучшение уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками и свойствами.

Селекция строится на отборе растений (животных) с выраженными  благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в  то время как генная инженерия  позволяет непосредственно вмешиваться  в генетический аппарат клетки. Важно  отметить, что в ходе традиционной селекции получить гибриды с искомой  комбинацией полезных признаков  весьма сложно, поскольку к потомству  передаются очень большие фрагменты  геномов каждого из родителей, в  то время как генно-инженерные методы позволяют работать чаще всего с  одним или несколькими генами, причем их модификации не затрагивают  работу других генов. В результате, не теряя других полезных свойств  растения, удается добавить еще один или несколько полезных признаков, что весьма ценно для создания новых сортов и новых форм растений. Стало возможным изменять у растений, например, устойчивость к климату  и стрессам, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространённым в определённых регионах, к засухе и т.д. Учёные надеются даже получить такие породы деревьев, которые были бы устойчивы к пожарам. Ведутся  широкие исследования по улучшению  пищевой ценности различных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, томаты, горох и др.

Исторически, выделяют «три волны» в создании генно-модифицированных растений:

Первая волна – конец 1980-х годов – создание растений с новыми свойствами устойчивости к  вирусам, паразитам или гербицидам. В растениях «первой волны» дополнительно  вводили всего один ген и заставляли его «работать», то есть синтезировать  один дополнительный белок. «Полезные» гены «брали» либо у вирусов растений (для формирования устойчивости к данному вирусу), либо у почвенных бактерий (для формирования устойчивости к насекомым, гербицидам).

Вторая волна – начало 2000-х годов – создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим  содержанием витаминов, более питательные  зерновые и т.д.

В наши дни ученые создают  растения «третьей волны», которые  в ближайшие 10 лет появятся на рынке: растения-вакцины, растения-биореакторы  для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов  пластика, красителей, технических  масел и т.д.), растения - фабрики  лекарств и т.д.

Генно-инженерные работы в  животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном  уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать  его в больших количествах. Еще  один пример: трансгенные козы, в  результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический  белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в  кровеносных сосудах, что актуально  для профилактики и терапии тромбофлебита  у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а  сам способ значительно дешевле  традиционного.

В конце 90-х годов XX в. учёные США вплотную подошли к получению  сельскохозяйственных животных методом  клонирования клеток эмбрионов, хотя это  направление нуждается еще в  дальнейших серьезных исследованиях. А вот в ксенотрансплантации – пересадке органов от одного вида живых организмов другому, - достигнуты несомненные результаты. Наибольшие успехи получены при использовании свиней, имеющих в генотипе перенесенные гены человека, в качестве доноров различных органов. В этом случае наблюдается минимальный риск отторжения органа.

Учёные также предполагают, что перенос генов поможет  снизить аллергию человека к коровьему  молоку. Целенаправленные изменения  в ДНК коров должны привести также  к уменьшению содержания в молоке насыщенных жирных кислот и холестерина, что сделает его еще более  полезным для здоровья. Потенциальная  опасность применения генетически  модифицированных организмов выражается в двух аспектах: безопасность продовольствия для здоровья людей и экологические  последствия. Поэтому важнейшим  этапом при создании генно-модифицированного  продукта должна быть его всесторонняя экспертиза во избежание опасности  того, что продукт содержит протеины, вызывающие аллергию, токсичные вещества или какие-то новые опасные компоненты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Этапы развития биотехнологии

В развитии биотехнологии выделяют следующие  периоды:

• эмпирический,
• научный,
• современный (молекулярный).

Последний специально отделяется от предыдущего, так как биотехнологи уже могут  создавать и использовать в производстве неприродные организмы, полученные генно-инженерными методами.

1) Эмпирическая  биотехнология неотделима от  цивилизации, преимущественно как  сфера производства (с древнейших  времен — приготовление теста,  получение молочнокислых продуктов,  сыро-, виноделие, пивоварение, ферментация  табака и чая, выделка кож  и обработка растительных волокон). В течение тысячелетий человек  применял в своих целях ферментативные  процессы, не имея понятия ни  о ферментах, ни о клетках  с их видовой специфичностью  и, тем более, генетическим  аппаратом. Причем прогресс точных  наук долгое время не влиял  на технологические приемы, используемые  в эмпирической биотехнологии.

2) Быстрое  развитие биотехнологии как научной  дисциплины с середины XIX в. было  инициировано работами Л. Пастера  (1822 — 1895).

Именно  Л.Пастер ввел понятие биообъекта, не прибегая, впрочем, к такому термину, доказал «живую природу» брожений: каждое осуществлявшееся в производственных условиях брожение (спиртовое, уксусно-, молочнокислое и т.д.) вызывается своим микроорганизмом, а срыв производственного  процесса обусловлен несоблюдением  чистоты культуры микроорганизма, являющегося  в данном случае биообъектом.

Практическое  значение этих исследований Л. Пастера  сводится к требованию поддержания  чистоты культуры, т.е. к проведению производственного процесса с индивидуальным, имеющим точные характеристики биообъектом.

Позднее, приступив к работам в области  медицины, Л. Пастер исходил из своей  концепции о причине заразных болезней, сводя ее в каждом случае к конкретному, определенному микроорганизму. Хотя техника того времени не позволяла  увидеть возбудителя инфекции, как, например, в случае вируса бешенства, однако Л.Пастер считал, что «мы его  не видим, но мы им управляем». Целенаправленное воздействие на возбудителя инфекции (в целях ослабления его патогенности) позволяет получать вакцины.

Ослабленный патоген и животное, в организм которого он введен, могут рассматриваться  как своеобразный биообъект, а получаемая вакцина - как биотехнологический препарат. Л. Пастер создал строго научные основы получения вакцин, тогда как замечательные  достижения Э.Дженнера в борьбе с  оспой были результатом освоения эмпирического опыта индийской  медицины.

3) Современная  биотехнология, основанная на  достижениях молекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической  химии (на практическом воплощении  этих достижений), выросла из биотехнологии  Л.Пастера и, являясь также  строго научной, отличается от  последней прежде всего тем,  что способна создавать и использовать  в производстве неприродные биообъекты, что отражается как на производственном  процессе в целом, так и на  свойствах новых биотехнологических  продуктов.